水下航行器作为海洋探索的最常用工具之一，在海洋科研、商业开发以及军事上都有着广泛应用。本文从实现水下航行器在海洋环境中的智能自主行驶任务出发，结合其内在操控特点和外部环境特点，对其轨迹规划及轨迹跟踪控制进行研究，完成了以下四项工作：三维大场景水下航行器轨迹规划、考虑洋流的矢量场路径规划、欠驱动水下航行器轨迹跟踪控制及考虑洋流的扰动观测与扰动抑制控制。基于上述工作，本文形成了一套系统的轨迹规划与跟踪控制方案，为水下航行器在不同海洋环境中的任务执行奠定了基础。本文的具体内容和贡献包括：

（1）提出了一种基于非均匀环境建模的三维大场景水下航行器轨迹规划方法。基于八叉树结构，设计了一种兼顾建模复杂度与建模精确度的三维环境表征模型，实现了不同环境区域不同分辨率的建模，可满足存储与耗时的要求。同时依据八叉树的结构特点，提出了非均匀环境模型节点邻域关系确定方法
，并以建立的环境模型为基础，结合水下任务特点与航行器运动特点，设计了具备较好实时性且安全系数高的轨迹搜索与轨迹优化方法，实现
了大范围场景中的快速高效轨迹规划。

（2）提出了一种基于概率采样的洋流矢量场环境路径规划方法。考虑海洋环境存在洋流的特点，提出利用历史先验扰流信息，结合目标位置启发偏置策略和洋流流向流速引导的路径规划方法，实现导航规划层的扰流利用与回避，可规划出满足耗能较小、顺流程度较高及路径距离较短等指标的安全路线。提出了改进的节点重连与回溯更新机制，在快速搜索初始路径的基础上，实现持续的路径寻优。通过三种不同洋流流场环境及有障碍物流场环境的路径规划实验，证明了所提方法的可行性、有效性与适应性。

（3）提出了一种具有侧移误差消除机制的欠驱动航行器轨迹跟踪控制方法。针对欠驱动航行器由于运动耦合等引起的侧移问题，提出了基于距离误差的侧移补偿器，实现侧移误差的消除。考虑多输入多输出的跟踪控制任务特点及航行器实际物理约束，提出了融合侧移补偿器与预测控制器的轨迹跟踪控制方法，实现对多种轨迹的跟踪并能抵抗欠驱动方向侧移误差的干扰，并对所提控制方法的稳定性进行了分析。通过仿真和实际物理实验验证了所提控制方法对侧移误差的消除能力和对轨迹精确跟踪的能力。

（4）提出了一种基于数据驱动的扰动建模与扰动抑制控制方法。针对海洋环境中存在水流扰动影响航行器航行精度甚至航行安全的问题，提出了一种在线的扰动建模与扰动抑制控制框架，利用高斯过程模型实现了环境扰动及航行器不精确动力学模型项的建模与估计，通过将其整合进系统名义动力学模型，实现了面向水下航行的扰动抑制控制。所提建模方法利用高斯过程的信息提取与建模能力，可在线获取扰动信息并据此更新系统动力学模型，进而通过提升模型精度为航行器控制提供了更为可信的模型基础；所提控制方法基于优化控制器设计，在满足系统约束条件的情况下，实现了水下航行过程中较鲁棒的扰动抑制控制。通过仿真和实物实验，验证了所提方法在扰动建模方面的有效性及在扰动抑制方面的可靠性。